автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка интеллектуальной системы интерактивного синтеза методик физико-химического анализа

РГ б Ой

- 8 МЛ Я 1ВП5

(Российская Мадемнл (Наук

Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации

На правах рукописи

УДК 681.3 ГОРОХОВ Андреей Витальевич

РАЗРАБОТКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ИНТЕРАКТИВНОГО СИНТЕЗА МЕТОДИК ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Специальность 05.13.16 -

Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1995,

Работа выполнена в Институте информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН (г.Апатиты).

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Путилов В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Недосекин Д. Д. кандидат технических наук Шкиртиль В.И.

Ведущая организация - Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра РАН (г.Апатиты).

Защита состоится " _1995 г. в__часов на

заседании специализированного совета Д003.62.01. при Санкт-Петербургском институте информатики и автоматизации РАН по адресу: 199178, С.-Петербург, 14 линия, 39

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке специализированного совета Д003.62.01.

Автореферат разослан " "_1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

В. Е. Марлей

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из актуальных проблем Мурманской области в рамках Баренцрегиока является выход на мировой уровень решения задач рационального природопользования. Она заключается в снижении и контроле использования невосполнимых природных ресурсов и вовлечении в оборот новых. Это ведет к расширении объектов исследования аналитической химией и повышению требований, к точности и оперативности определения химического состава различных веществ, что обуславливает необходимость создания большого количества точных и экспрессных методик проведения лабораторных экспериментов в данной области. Методика физико-химического анализа является результатом разработки стратегии решения задачи анализа химического состава вещества. Разработка стратегии проведения лабораторного физико-химического эксперимента является сложным творческим процессом и выполняется специалистами-аналитиками на основе знаний и накопленного опыта. Возрастание сложности данной задачи ведет к резкому повышению затрат на ее решение существующим способом, ввиду ограниченности возможностей человека. Это ставит перед исследователями проблему широкого применения методов и средств автоматизации при создании новых методик физико-химического анализа. Большинство известных систем автоматизации в области аналитической химии ориентировано на управление технологическим процессом проведения эксперимента и обработку полученной в результате эксперимента информации, что позволяет решить только часть проблемы автоматизации лабораторного эксперимента. Поэтому . целесообразно создать систему автоматизации лабораторного физико-химичесйого эксперимента, которая включала бы в себя поддержку ранних этапов эксперимента. менее изученных с точки зрения формализации и алгоритмизации. Основой такой системы должна быть база знаний лабораторного физико-химического эксперимента с соответствующими инструментальными средствами синтеза методик анализа химического состава вещества.

Цель» диссертационной работы является создание инструментальной системы автоматизации ранних этапов лабораторного физико-химического анализа.

Основные задана, решаете в работе:

1. Формализация и представление знаний химиков-аналитиков о лабораторном эксперименте в области аналитической химии.

2. Реализация базы знаний лабораторного физико-химического эксперимента.

3. Разработка алгоритмов и средств автоматизации выбора и синтеза методик анализа химического состава вещества.

Методы исследования. В исследованиях были использованы: функционально-целевая технология, методы математической логики, элементы теории множеств и теории графов, методы математической статистики.

Научная -новизна. В диссертации в рамках функционально-целевого подхода, развитого для класса задач с древовидными моделями предметной области, решена проблема автоматизации ранних, менее изученных с точки зрения формализации и алгоритмизации этапов проведения лабораторных исследований в области аналитической химии .с использованием знаний экспертов, что позволило эффективно решать следующие важные научно-технические задачи:

1. Разработан подход к формализации и представлению экспертных знаний о предметной области, основанный на функционально-целевой технологии и позволяющий специалистам-аналитикам в своей терминологии строить концептуальную модель лаборатор- -ного эксперимента в области аналитической химии.

2. Разработана структура базы знаний лабораторного физико-химического эксперимента, позволяющая автоматизировать процесс решения задач анализа химического состава вещества и обеспечивающая выявление и накопление новых знаний о принципах решения данных задач. Для представления экспертных знаний использован аппарат алгебры множеств.

3. Разработаны алгоритмы выполнения интерактивных процедур постановки задачи лабораторного физико-химического эксперимента, синтеза и выбора методик анализа химического состава вещества. Спецификой данных алгоритмов является их недетерминированность, заключающаяся в. возможности сужения в интерактивном режиме области решений задач.

Положения, выносимые на защиту. Разработанные в дас-= сертационной работе алгоритмы и технологические приемы позво-.. ляют решить проблему автоматизации ранних этапов лабораторного

эксперимента в области аналитической химик. На основе полученных результатов могут быть сформулированы следующие основные положения:

1. Эффективным средством формализации знаний экспертов "в области аналитической химии является разработка концептуальной модели предметной области. В качестве метода создания концептуальной модели лабораторного эксперимента целесообразно использовать функционально-целевой подход.

2. Создание базы знаний лабораторного физико-химического эксперимента .позволяет автоматизировать процесс синтеза и выбора методик для решения задач анализа химического состава вещества. В процессе синтеза и накопления методик физико-химического анализа обеспечивается выявление новых знаний и пополнение ими базы знаний.

3. Разработанные в диссертационной работе алгоритмы и средства автоматизации позволяют использовать знания экспертов, реализованные в виде базы знаний, для синтеза и выбора методик физико-химического анализа.

фактическая ценность. В основу диссертационной работы положены результаты, полученные автором в ходе исследований, проводимых по шинам научно-исследовательских работ Института информатики и математического моделирования • Кольского научного центра РАН в период с 1989-1994гг. "Системные средства математического моделирования в области химико-технологических, горнопромышленных и экологических систем" 1989 г. (З.ГР 0189.0072 643). "Разработка интегрированной системы комплексной автоматизации производства и управления.Кандалакшинского опытно-машиностроительного завода" 1991г. (отчет о научно-исследовательской работе по Х/Д И. 2151 от 18:04.'90.). "Функционально-целевая информационная технология диагностики и прогноза динамики систем "Технологические процессы - трансформированные природные комплексы" 1991 - 1994 гг.. а также ряд хоздоговорных работ.

На основе полученных научных результатов была реализована ба:за знаний лабораторного физико-химического эксперимента на основе его концептуальной модели и созданы средства автоматизации ранних этапов проведения лабораторного эксперимента в области аналитической химии в виде инструментальной системы, предоставляющей следующие возможности:

- настройка системы на конкретную аналитическую лабораторию и создание концептуальной модели данной предметной области, а также корректировка данной модели:

-постановка задачи проведения лабораторного эксперимента в виде спецификации запроса;

- синтез алгоритма проведения лабораторного эксперимента согласно поставленной задаче;

- генерация описания методик, анализа вещества, реализующих созданный алгоритм;

- выбор из имеющихся в базе знаний системы методик физико-химического анализа, адекватных поставленной задаче лабораторного эксперимента:

- оценка методик по результатам их исполнения на предмет стабильности решения поставленной задачи;

- ввод в систему новых методик и пополнение базы знаний соответствующими им правилами.;

Внедрение результатов. Результаты проведенных исследований нашли практическое применение.в следующих разработках, в которых автор принимал непосредственное участие:

1. Созданная на основе специфицированных в диссертационной работе методов и разработанных технологических приемов инструментальная система интерактивного, синтеза методик физико-химического анализа внедрена в лаборатории химических и оптических методов анализа Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра РАН (г. Апатиты) "АРМ инженера-аналитика и база знаний о методах и методиках физико-химического анализа" (Х/Д N 2787 от 30 апреля 1993 г.).

2. Версия разработанной инструментальной системы внедрена в службе аналитики Апатитской ТЭЦ (г.Апатиты):"База знаний о методиках физико-химического анализа" (Х/Д N3280 от 20 апреля 1993 Г.).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 24 Всесоюзной школе по автоматизации научных исследований (Апатиты, 1990г.), Мезду-народной,конференции ЮНЕСКО "Математика, компьютер, управление, инвестиции" (Москва,1993г.), Международной конференции "CAD/CAM, Robotics and factories of the future" (С-Петербург. 1993г.), 3 Санкт-Петербургской международной конференции "Региональная информатика-94" (С-Петербург, 1994г.). Междуна-

родной конференции "on Human-Computer Interaction" (С-Петер-бург, 1994г.). •

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 работ.

Структура и объем диссертации.. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка .литературы (69 наименований) имеет общий объем 132 машинописные страницы, содержит 7 рисунков. Приложение к диссертации содержит 39 рисунков.

С0ДЕРЙАШ1£ РАБОТЫ

Во евеЗе:йш обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и методы исследования. Приводится краткое изложение содержания и основных результатов диссертационной работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору существующих систем автоматизации в области аналитической химии. Вводятся понятия основных этапов проведения лабораторного эксперимента и, в соответствии с ними, проводится классификация рассматриваемых средств автоматизации. Дана сравнительная характеристика систем автоматизации физико-химического анализа и представленной в диссертационной работе интеллектуальной системы интерактивного синтеза методик физико-химического анализа.

Формулируются основные проблемы автоматизации менее изученных с точки зрения формализации и алгоритмизации этапов лабораторного физико-химического эксперимента. Данные проблемы заключаются в формализации и представлении знаний экспертов о данной предметной области, а также в разработке соответствующих алгоритмов и средств автоматизации.

Решение этих проблем позволит существенно сократить время на разработку новых методик проведения лабораторных физико-химических экспериментов, адекватных их целям, кроме того, позволит систематизировать знания о существующих методиках и ускорить их выбор для решения поставленных задач анализа химического состава вещества в условиях аналитической лаборатории.

Во второй главе рассматривается этап формализации и представления знаний о лабораторном физико-химическом эксперименте с помощью концептуальной модели.

Концептуальная модель лабораторного эксперимента предстзв-